Tarcie największym problemem silników 21 wieku.

Rosnąca globalna świadomość ekologiczna na świecie, czego dowodem są niedawne wezwania do kontroli zmian klimatu i emisji gazów cieplarnianych na całym świecie, nałożyła nowe, istotne zlecenia techniczne na samochody w celu poprawy wydajności silników.

Bezpośrednio związane z produkcją dwutlenku węgla, który jest głównym gazem cieplarnianym. Zmniejszenie strat pojazdu, układu napędowego i silnikowego jest kluczowym elementem oszczędzania energii. W odniesieniu do poprawy wydajności silnika, różne podejścia obejmują udoskonalenia w zaawansowanych systemach spalania, projektowanie i obsługę systemów komponentów, takie jak redukcja rozmiaru, zwiększenie wydajności i elektryfikacja, jak również systemy odzysku ciepła odpadowego itp. Spośród tych podejść, redukcja tarcia silnika jest kluczowym i stosunkowo efektywnym kosztowo podejściem, na które zwrócili uwagę zarówno tribolodzy, jak i inżynierowie smarowania.

W niniejszym wpisie omówiono podstawy tarcia charakterystycznego dla środowisk składowych silnika wraz z omówieniem wpływu rozwoju technologii układów napędowych pojazdów, technologii powierzchniowych i materiałowych oraz technologii środków smarnych i dodatków smarnych na obietnice utrzymania tendencji w zakresie tarcia i redukcji zużycia. Międzynarodowe porozumienia w sprawie zmian klimatu wymagają dalszych korzyści w zakresie efektywności paliwowej i zrównoważenia energetycznego ze strony wszystkich sektorów przemysłu, w tym sektora motoryzacyjnego i szeroko rozumianego przemysłu silników spalinowych, a te ostatnie obejmują również sektory poza drogami publicznymi, energetyką, przemysł morski i kolejowy. Naukowcy koncentrują się jednak na redukcji tarcia w silnikach głównie samochodowych.

Dokument rozpoczyna się od wyjaśnienia wspólnych deskryptorów strat mechanicznych i tarcia w silniku, po czym następuje temat podstaw smarowania, takich jak schematy smarowania. Następnie omówione zostanie smarowanie powierzchni stykających się w każdym z głównych podsystemów silnika. Podsystemy te obejmują zespół tłokowy: pierścień pierścieniowy/linus, prowadnicę/podwozie tłokowo-skokowe i styki trzpienia tłokowego/podpory łączącej; pręty łączące i łożyska wału korbowego; oraz podsystem układu zaworowego. Omówiono względny udział różnych podsystemów w tarciu całkowitym, przy czym montaż tłoków stanowi około połowę całkowitego tarcia. Pozostała część tarcia pochodzi z wału korbowego, drążka łączącego, łożysk wałka rozrządu i części oscylujących układu zaworowego. Łożyska są w przeważającej mierze smarowane hydrodynamicznie, w przeciwieństwie do elementów oscylujących w układzie zaworowym, które charakteryzują się głównie mieszanymi/granicowymi schematami smarowania.

Pomimo tytułu artykułu, część poświęcona nowym technologiom napędowym – w tym także zagadnieniom spalania w silnikach benzynowych i wysokoprężnych – została również omówiona w kontekście tendencji w kierunku ekologicznie czystych i wydajnych układów napędowych. Omówiony zostanie wpływ tych rozwijających się technologii na zmniejszenie tarcia i strat pasożytniczych za pomocą komponentów, materiałów i usuwania smarów. Technologie te obejmują benzynę z bezpośrednim wtryskiem paliwa (GDI), turbodoładowanie i pojazdy hybrydowe, co stworzy wyjątkowe możliwości ekologiczne dla przyszłych systemów napędowych. Technologie te mają kluczowe znaczenie dla osiągnięcia oszczędności paliwa i ograniczenia emisji. Niniejszy dokument poświęcony będzie w szczególności wpływowi tych nowych technologii na przyszłe wymagania w zakresie środków smarnych oraz zaawansowanych badań tribologicznych. Związek między tymi wymogami w zakresie środków smarnych a wymaganiami trybologicznymi zostanie zilustrowany poprzez krótki opis podstawowych procesów smarowania i tarcia w głównych elementach silnika wykorzystujących nowe technologie.

Wreszcie, oprócz nowych zmian sprzętowych i materiałoznawczych, kilka zaawansowanych dodatków, takich jak zaawansowane modyfikatory tarcia, chemia dodatków przeciwzużyciowych, smary o niskiej lepkości oraz wprowadzenie nowego VI Ulepszenia stanowią możliwe tribologiczne rozwiązania dla wyzwania, jakim jest spełnienie bardziej rygorystycznych wymogów w zakresie efektywności energetycznej i prawodawstwa środowiskowego. Ponieważ producenci oryginalnego wyposażenia (OEM) dążą do osiągnięcia tych celów, zmiany sprzętu i układów emisji stawiają nowe wymagania i jeszcze większy nacisk na oleje silnikowe. Jednocześnie trwałość, osiągi i niezawodność silnika mają pierwszorzędne znaczenie dla właścicieli i użytkowników pojazdów.

Przyszłe trendy w redukcji tarcia silnika i kontroli zużycia poprzez modyfikacje powierzchni, takie jak dodatki do olejów, powłoki zmniejszające tarcie lub tekstury powierzchni elementów silnika. Dokonane zostaną przegląd wpływu powłok lub tekstur powierzchni na tarcie silnika. Ponadto producenci OEM i producenci preparatów smarnych będą musieli zareagować na nowatorskie technologie oleju silnikowego stworzone w celu ochrony silnika, utrzymania systemu emisji spalin w optymalnym zużyciu paliwa, przy jednoczesnym zachowaniu trwałości silnika.

Patryk Gałązka

Elektromechanik z wykształcenia i pasji z siedmioletnim doświadczeniem w zawodzie. Na co dzień prowadzę działalność związaną z elektroniką samochodową, a w wolnym czasie pogłębiam wiedzę z tych obszarów, czego najlepszym dowodem są liczne certyfikaty.